JP2016220886A - 血圧測定装置、血圧測定プログラム及び血圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で携帯し易く、且つ周囲の環境に影響を受けにくい容積振動法を利用した血圧測定装置、血圧測定プログラム及び血圧測定方法を提供する。【解決手段】血圧測定装置はカフと、動脈容積信号を検出するための容積検出手段と、カフ圧を検出するための圧力検出手段と、動脈容積信号及びカフ圧に基づいて、被測定者の血圧を導出するための導出制御を行なう導出制御手段１２４とを備え、導出制御手段は、動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するための包絡線抽出手段１２４ａと、包絡線をカフ圧で微分するための微分処理手段１２４ｂと、包絡線の微分値の極大値を抽出するための極大値抽出手段１２４ｃと、極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するための血圧決定手段１２４ｄとを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、血管の力学特性である圧・容積関係を利用した血圧測定装置、血圧測定プログラム及び血圧測定方法に関する。

近年、ライフスタイルの欧米化・平均年齢の高齢化により高血圧者の増加が問題視されている。慢性的な高血圧は循環器系疾患の原因になるとされており、国内死亡原因の25%以上が循環器系疾患によるものとなっている。よって自己の血圧を日々計測・管理することが非常に重要と言えるが、一般に血圧計測に用いられている市販血圧計は経験的な手法により血圧を決定しているのが現状である。
本願発明者は物理的被拠による血圧計測法として、血管の力学特性である圧・容積関係に基づく方法を開発した（特許文献1参照）。
血管の力学特性である圧・容積関係において、特許文献1に開示された血圧測定装置では、動脈容積最大点を結んで成る包絡線から最高血圧を決定し、動脈容積最小点を結んで成る包絡線から最低血圧を決定する。

特許第5098721号公報

上記特許文献1の技術では、上述のとおり計２本の包絡線からそれぞれ最高血圧と最低血圧を決定するので、決定に要する回路構成及び演算処理が複雑化するという問題や装置の製造コストが高くなるという問題がある。
また、光電センサから検出される容積信号(PPG:photo-plethysmogram）から容積脈派（PG:plethysmogram)を求めているが、光電センサとしてLEDを使用するため電力消費量が大きいという問題や、装置が大型化して携帯し辛いという問題がある。
また、LEDは外光の影響を受けやすく、周囲が明るい環境下で計測した場合と暗い環境下で計測した場合とで血圧値に変動が生じ得るという問題もある。

本発明は、このような問題を考慮して、小型で携帯し易く、且つ周囲の環境に影響を受けにくい容積振動法を利用した血圧測定装置、血圧測定プログラム及び血圧測定方法を提供することを目的とする。

本発明の血圧測定装置は、被測定者の所定の身体部位に巻き付けるためのカフと、前記被測定者の動脈の容積を示す動脈容積信号を検出するための容積検出手段と、前記カフ内の圧力を表わすカフ圧を検出するための圧力検出手段と、前記動脈容積信号及びカフ圧に基づいて、前記被測定者の血圧を導出するための導出制御を行なう導出制御手段とを備え、前記導出制御手段は、前記動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するための包絡線抽出手段と、前記包絡線をカフ圧で微分するための微分処理手段と、前記包絡線の微分値の極大値を抽出するための極大値抽出手段と、前記極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するための血圧決定手段とを含むことを特徴とする。
また、前記血圧決定手段は、前記極大値のうち最大値の微分に用いたカフ圧を最高血圧と決定し、当該最高血圧となるカフ圧よりも低い範囲に含まれる極大値のうち前記最大の極大値も含めて3番目に大きい値の微分に用いたカフ圧を最低血圧と決定することを特徴とする。
また、前記容積検出手段は、前記動脈に対して磁界を印加するための磁石と、前記磁石によって印加された磁界の
磁気密度の変化（磁気容積信号(MPG:magneto-plethysmogram)）を検出する磁気センサとを含むことを特徴とする。

本発明の血圧測定プログラムは、動脈容積信号及びカフ圧を時系列に記憶する記憶部を備えた情報処理装置において実行される血圧測定プログラムであって、前記動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するステップと、前記包絡線を前記カフ圧で微分するステップと、前記包絡線の微分値の極大値を複数抽出するステップと、前記複数の極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するステップとを前記情報処理装置に実行させることを特徴とする。
本発明の血圧測定方法は、動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するステップと、前記包絡線を前記カフ圧で微分するステップと、前記包絡線の微分値の極大値を複数抽出するステップと、前記複数の極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するステップとを備えることを特徴とする。

本発明では最高血圧及び最低血圧を測定するにあたり、動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る1本の包絡線を使用する。
従来は動脈容積最大点を結んで成る包絡線から最高血圧を決定し、動脈容積最小点を結んで成る包絡線から最低血圧を決定していたため、計2本の包絡線を抽出する必要があったが、本発明では動脈容積最大点と動脈容積最小点のうちいずれか一方のみを結んで成る1本の包絡線から最高血圧及び最低血圧を決定するので、決定に要する回路構成及び演算処理を簡素化できるという効果や装置の製造コストを抑えられるという効果を有する。
また、極大値のうち最大値の微分に用いたカフ圧を最高血圧と決定し、当該最高血圧となるカフ圧よりも低い範囲に含まれる極大値のうち前記最大の極大値も含めて3番目に大きい値の微分に用いたカフ圧を最低血圧と決定する手法はこれまで知られておらず、これにより最高／最低血圧を精度良くかつ容易に求めることができる。
また、本発明において容積検出手段として磁石及び磁気センサを用いることにすれば、従来のようにLEDを備えた光電センサを使用する場合と比較して、電力消費量を抑えられるという効果や、装置を小型化できて携帯しやすいという効果を得られる。更に、従来のようにLEDを備えた光電センサを用いる場合と比較して磁石及び磁気センサは外光の影響を受けにくく、周囲が明るい環境下で計測した場合と暗い環境下で計測した場合とで血圧値にほとんど変動が生じないという効果も得られる。

血圧測定装置を指に装着した状態を示す図(a)及び縦断面図(b) 血圧測定装置のハードウェア構成を示すブロック図 血圧測定装置の機能構成を示すブロック図 カフ圧の印加状態を示すグラフ(a)及び容積脈波を示すグラフ(b) 包絡線を示すグラフ 各微分値を結んだ波形（微分曲線）を示すグラフ 血圧測定処理を示すフローチャート 血圧導出処理を示すフローチャート

本発明の血圧測定装置1の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1〜図3に示すように血圧測定装置1はカフ10、容積検出手段20及び本体部100から概略構成されており、本体部100に圧力検出手段110や導出制御手段124等が格納されている。

カフ10は被測定者の所定の身体部位に巻き付けられる部材であり、空気袋11を備えている。本実施の形態ではカフ10を右手示指の基節骨の周囲を覆うように巻き付けているが、手首や上腕に巻き付けてもよい。
空気袋11はカフ10に空気圧を印加するための部材であり、エアチューブ（図示略）を介して後述する本体部100内の圧力検出手段110に接続されている。
カフ10に供給される流体は空気に限定されるものではなく例えば液体やゲルであってもよい。また、マイクロビーズなどの均一な微粒子であってもよい。

容積検出手段20は被測定者の動脈の容積を示す動脈容積信号を検出するべくカフ10に取り付けられるものであり、磁力線の発信源となる磁石21と磁気センサ22を有する。磁石21と磁気センサ22はカフ10の内面に取り付けられており、カフ10が右手示指に巻き付けられた状態で示指の血管を挟んで対向するように位置決めされている。
磁石21と磁気センサ22の位置を入れ替えてもよい。また、磁石21と磁気センサ22は必ずしも一対である必要はなく、例えば複数の磁石21と一つの磁気センサ22や、一つの磁石21と複数の磁気センサ22の組み合わせでもよい。磁石21から出た磁力線は動脈を透過する際に変化し、磁気密度の変化（磁気容積信号(MPG:magneto-plethysmogram)）として磁気センサ22で検知される。なお、容積検出手段20として従来と同様にLEDを備えた光電センサを使用してもよい。
磁気センサ22は動脈容積検出回路114に接続されている。動脈容積検出回路114では動脈を透過して磁気センサ22に至った磁束密度を電圧値に変換することで動脈容積を検出してCPU120に出力する。
本発明では動脈容積の検出に磁石21を用いるので、従来のように光（LED）を用いる場合に必要であった発光素子駆動回路が不要になり、装置構成を簡略化できる。

本体部100はカフ10及び容積検出手段20に接続されている。
本体部100は圧力検出手段110、各種装置を駆動制御すると共に各種演算処理を行なうCPU120（Central Processing Unit）、CPU120に所定の動作をさせるためのプログラムや各種データを記憶するためのメモリ部130、測定された血圧を記憶するためのフラッシュメモリ140、CPU120に電力を供給するための電源150、計時動作を行なう計時部160、本体部100に対して着脱可能な記録媒体200からプログラムやデータの読み出しおよび書き込みをするためのインターフェイス部170、各種計測値や算出値を表示する表示部180、被測定者の入力を受け付ける操作部190等から概略構成される。
圧力検出手段110は、空気袋11内の圧力（カフ圧）を検出するための圧力センサ111と、カフ圧を加圧するために空気袋11に空気を供給するためのポンプ112と、空気袋11に空気を出し入れするための弁113を備える。
圧力センサ111は静電容量形のセンサであり、カフ圧により容量値が変化する。圧力センサ111は当該容量値に応じた発振周波数の信号をCPU120に出力する。CPU120は当該信号を圧力に変換し圧力を検知する。
ポンプ112はポンプ駆動回路112aに接続されており、CPU120から与えられる制御信号に基づいてその駆動が制御される。
弁113は弁駆動回路113aに接続されており、CPU120から与えられる制御信号に基いてその駆動が制御される。
操作部190は電源150をオン／オフするための電源スイッチ191、測定開始の指示を受け付けるための測定スイッチ192、測定停止の指示を受け付けるための停止スイッチ193、フラッシュメモリ140に記録された血圧などの情報を読み出す指示を受付けるためのメモリスイッチ194を有する。

図3は本実施の形態に係る血圧測定装置1の機能構成を示すブロック図である。
CPU120は駆動制御手段121、カフ圧取得手段122、容積信号検出処理手段123、導出制御手段124、格納処理手段125、表示制御手段126等から概略構成される。
駆動制御手段121はカフ圧を調整するためにポンプ駆動回路112aおよび弁駆動回路113aに制御信号を送信する。具体的には、図4(a)に示すようにカフ圧を所定値まで加圧し、徐々にカフ圧を減圧する制御を行なう。
カフ圧取得手段122は圧力センサ111から得られる信号を圧力に変換して連続的に取得する。取得されたカフ圧は微分処理手段124b及び駆動制御手段121に出力される。
容積信号検出処理手段123は、駆動制御手段121によるカフ圧の減圧と並行して、動脈容積検出回路114からの動脈容積信号を連続的に検出して図4(b)に示すような容積脈波を取得する。容積信号検出処理手段123は検出した容積脈波を次に述べる導出制御手段124の包絡線抽出手段124aに出力する。なお、「容積脈波」はカフ圧に応じて現れる動脈容積の変化を示す波形の曲線であり、動脈容積は血圧の脈動により変化する。

導出制御手段124は被測定者の血圧を導出するための制御を行なうものであり、カフ圧を一定速度で減圧する過程において血圧導出処理を行なう。なお、カフ圧を徐々に加圧する過程で血圧導出処理を行なうことにしてもよい。
導出制御手段124は包絡線抽出手段124a、微分処理手段124b、極大値抽出手段124c及び血圧決定手段124dを備える。
包絡線抽出手段124aは容積信号検出処理手段123から出力された容積脈波を受信して図5に示すような包絡線Lを抽出する。具体的には、容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみ（本実施の形態では動脈容積最大点）を連続的に結んで成る包絡線Lを抽出する。各脈波成分は脈動１拍ごとの動脈容積の変化に対応している。

本実施の形態では生体内に入射した磁力線が動脈中のヘモグロビンに減衰される特性を利用して動脈容積を電圧値として検出している。すなわち、動脈の容積が大きい場合はヘモグロビン量が多いため磁気センサ22に至る磁束密度は小さくなり電圧値が小さくなる。逆に、動脈の容積が小さい場合は、ヘモグロビンの量が少ないため、磁気センサ22に至る磁束密度が大きくなり電圧値が大きくなる。

抽出された包絡線の情報は微分処理手段124bに出力される。
微分処理手段124bは包絡線抽出手段124aが抽出した包絡線を、カフ圧取得手段122が取得したカフ圧で微分する。具体的には微分処理手段124bは上記包絡線をカフ圧で微分して各微分値を算出する。図6に各微分値を結んだ波形（微分曲線）を示している。算出した各微分値は極大値抽出手段124cに出力される。

極大値抽出手段124cは包絡線の微分値の極大値を複数抽出する。抽出された複数の極大値は血圧決定手段124dに出力される。
血圧決定手段124dは各極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧BPmax及び最低血圧BPminを決定する。具体的には、血圧決定手段124dは複数の極大値のうち最も大きい値の微分に用いたカフ圧を最高血圧BPmaxと決定し、当該最高血圧BPmaxとなるカフ圧よりも低い範囲に含まれる極大値のうち前記最大の極大値も含めて3番目に大きい値の微分に用いたカフ圧を最低血圧BPminと決定する。決定した血圧の情報は格納処理手段125及び表示制御手段126に出力される。

格納処理手段125は血圧決定手段124dが決定した血圧（最高血圧BPmax及び最低血圧BPmin）を測定日時と関連付けてフラッシュメモリ140に格納する。これによりフラッシュメモリ140には測定の度に血圧データと日時データとが関連付けられた測定データが記録される。
表示制御手段126は、血圧決定手段124dが決定した最高血圧BPmax及び最低血圧BPminを表示部180に表示する制御を行なう。これにより表示部180に被測定者の血圧が表示される。
なお、CPU120に含まれる各機能ブロックの動作はメモリ部130に格納されたソフトウェアを実行することで実現されてもよいし、これらの機能ブロックのうち少なくとも１つについてはハードウェアで実現されてもよい。あるいは、ハードウェア（回路）として記載したブロックのうち少なくとも１つについては、CPU120がメモリ部130に格納されたソフトウェアを実行することで実現されてもよい。

次に、本実施の形態に係る血圧測定装置1の動作について説明する。
図7は、本発明の実施の形態における血圧測定装置1が実行する処理を示すフローチャートである。この処理は予めプログラムとしてメモリ部130に格納されており、CPU120がこのプログラムを読み出して実行することにより、血圧測定処理が行われる。
CPU120は電源スイッチ191がオンになるまで待機し（ステップS102においてNO）、オンになったと判断した場合（ステップS102においてYES）、ステップS104に進む。
ステップS104においてCPU120は初期化処理を行なう。具体的にはメモリ部130の所定領域を初期化し、空気袋11の空気を排出し、圧力センサ111の補正を行なう。
次に、CPU120は測定スイッチ192がオンになるまで待機し（ステップS106においてNO）。測定スイッチ192がオンになったと判断した場合（ステップS106においてYES）、ステップS108に進む。
ステップS108において、駆動制御手段121はポンプ駆動回路112a及び弁駆動回路113aを制御してカフ圧を予め設定した所定値まで加圧する処理を行なう。あるいは、加圧中に検出した脈波情報や、算出した血圧値、脈拍数等に基づいて決定した圧力値であってもよい。また、被測定者が測定スイッチ192を押し続けている間加圧し続けることにしてもよい。

次に駆動制御手段121はポンプ112を停止し、弁113の開放量を制御して、カフ圧を徐々に減圧する処理を行なう（ステップS100）。
ステップS110の処理に並行して容積信号検出処理手段123は動脈容積検出回路114からの信号に基づき動脈容積を検出し、メモリ部130の所定の領域に時系列に記録する（ステップS112）。これにより図4(b)に示すような容積脈波が得られる。
続いて、カフ圧取得手段122は圧力センサ111からの信号に基づきカフ圧を取得し、メモリ部130の所定の領域に時系列に記録する（ステップS114）。なお、ステップS112の処理とステップS114の処理を並行して行なってもよい。
次に、ステップS116において、導出制御手段124は血圧導出処理を実行する。この血圧導出処理については、図8に示すサブルーチンを用いて後に詳細に説明する。

そして、ステップS118において、導出制御手段124は最高・最低血圧BPminが決定済みであるか否かを判断する。最高・最低血圧が決定済みでないと判断した場合（ステップS118においてNO）、ステップS110に戻り、上記処理が繰り返される。
一方、最高・最低血圧が決定済みであると判断した場合（ステップS118においてYES）、ステップS120に進む。
ステップS120において、駆動制御手段121は弁駆動回路113aを制御して弁113を完全に開放し、空気を排出する。
排気処理が終わると、表示制御手段126は決定した最高血圧BPmax及び最低血圧BPminを表示部180に表示する（ステップS122）。また、格納処理手段125は最高血圧BPmax及び最低血圧BPminを計時部160からの計時データと対応付けてフラッシュメモリ140に格納する（ステップS124）。
以上で本実施の形態における血圧測定処理が終了する。

図8は、本発明の実施の形態における血圧導出処理を示すフローチャートである。
包絡線抽出手段124aは容積脈波の容積最大点包絡線Lを抽出する（ステップS202）。容積最大点包絡線Lが抽出可能になるまで以降の処理は行なわれずメインルーチンに戻される。
次に、微分処理手段124bは抽出した容積最大点包絡線Lをカフ圧で微分する（ステップS204）。微分に用いるカフ圧は容積脈波の直近の容積最大点が抽出された時点のカフ圧である。
ステップS206において、極大値抽出手段124cは微分値のピーク（極大値）を複数検出する。
そして、複数の極大値が検出された場合（ステップS206においてYES）、ステップS208に進む。一方、複数の極大値が検出されていない場合（ステップS206においてNO）、処理はメインルーチンに戻される。
ステップS208において、血圧決定手段124dは複数の極大値のうち最も大きい値の微分に用いたカフ圧を最高血圧BPmaxと決定し、メモリ部130の所定の領域に一時的に記録し、ステップS210に進む。
ステップS210において、血圧決定手段124dは最高血圧BPmaxとなるカフ圧よりも低い範囲に含まれる極大値のうち前記最大の極大値も含めて3番目に大きい値の微分に用いたカフ圧を最低血圧BPminと決定し、メモリ部130の所定の領域に一時的に記録する。この処理が終わると処理はメインルーチンに戻される。
なお、血圧決定手段124dが、最高血圧BPmaxとなるカフ圧と最低血圧BPminとなるカフ圧の間の極大値、すなわち極大値のうち前記最大の極大値も含めて2番目に大きい値の微分に用いたカフ圧を平均血圧BPmeanと決定することにしてもよい。

本発明は、小型で携帯し易く、且つ周囲の環境に影響を受けにくい容積振動法を利用した血圧測定装置、血圧測定プログラム及び血圧測定方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

L 包絡線
1 血圧測定装置
10 カフ
11 空気袋
20 容積検出手段
21 磁石
22 磁気センサ
100 本体部
110 圧力検出手段
111 圧力センサ
112 ポンプ
112a ポンプ駆動回路
113 弁
113a 弁駆動回路
114 動脈容積検出回路
120 CPU
121 駆動制御手段
122 カフ圧取得手段
123 容積信号検出処理手段
124 導出制御手段
124a 包絡線抽出手段
124b 微分処理手段
124c 極大値抽出手段
124d 血圧決定手段
125 格納処理手段
126 表示制御手段
130 メモリ部
140 フラッシュメモリ
150 電源
160 計時部
170 インターフェイス部
180 表示部
190 操作部
191 電源スイッチ
192 測定スイッチ
193 停止スイッチ
194 メモリスイッチ

Claims (5)

1. 被測定者の所定の身体部位に巻き付けるためのカフと、
   前記被測定者の動脈の容積を示す動脈容積信号を検出するための容積検出手段と、
   前記カフ内の圧力を表わすカフ圧を検出するための圧力検出手段と、
   前記動脈容積信号及びカフ圧に基づいて、前記被測定者の血圧を導出するための導出制御を行なう導出制御手段とを備え、
   前記導出制御手段は、前記動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するための包絡線抽出手段と、
   前記包絡線をカフ圧で微分するための微分処理手段と、
   前記包絡線の微分値の極大値を抽出するための極大値抽出手段と、
   前記極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するための血圧決定手段とを含むことを特徴とする血圧測定装置。
   
2. 前記血圧決定手段は、前記極大値のうち最大値の微分に用いたカフ圧を最高血圧と決定し、当該最高血圧となるカフ圧よりも低い範囲に含まれる極大値のうち前記最大の極大値も含めて3番目に大きい値の微分に用いたカフ圧を最低血圧と決定することを特徴とする請求項1に記載の血圧測定装置。
   
3. 前記容積検出手段は、前記動脈に対して磁界を印加するための磁石と、前記磁石によって印加された磁界の磁気密度の変化（磁気容積信号(MPG:magneto-plethysmogram)）を検出する磁気センサとを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の血圧測定装置。
4. 動脈容積信号及びカフ圧を時系列に記憶する記憶部を備えた情報処理装置において実行される血圧測定プログラムであって、
   前記動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するステップと、
   前記包絡線を前記カフ圧で微分するステップと、
   前記包絡線の微分値の極大値を複数抽出するステップと、
   前記複数の極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するステップとを前記情報処理装置に実行させることを特徴とする血圧測定プログラム。
5. 動脈容積信号に基づく容積脈波を構成する各脈波成分の動脈容積最大点又は動脈容積最小点のいずれか一方のみを連続的に結んで成る包絡線を抽出するステップと、
   前記包絡線を前記カフ圧で微分するステップと、
   前記包絡線の微分値の極大値を複数抽出するステップと、
   前記複数の極大値の微分に用いられたカフ圧に基づいて、少なくとも最高血圧及び最低血圧を決定するステップとを備えることを特徴とする血圧測定方法。
   

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